CN110247293B - 一种激光空间输出与光纤输出合束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光合束装置，可以对空间和光纤两种不同方式输出的激光进行合束输出。包括一个激光空间输入口、两个光纤输入接口和两个镜架基座，多个长波通和短波通二向色镜，一个固定的反射镜、两个合束激光输出口。其特征在于：利用光纤输出的灵活性和空间输出的稳定性，分A、B两种合束路径工作，根据每种路径下输入激光的波长与长波通和短波通二向色镜之间的关系，利用其对不同范围内输入波段有较高透射性和反射性的特点，搭配最佳镜片，以最高的合束率完成两种不同方式输出激光的合束。该发明可以根据需求选择光路搭配镜片，可合束的波段覆盖范围广，合束率高同轴性好。合束装置散热效果极佳，可以高功率、高质量、远距离的长时间工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光合束装置，主要是针对激光空间输出和光纤输出这两种不同的输出方式，对其分别输出的两种波长相差较大的激光进行合束。解决了传统多光纤合束在高功率的状态下，难以持续高质量输出的问题。适用于425nm-1800nm激光波段的合束，并可以保证有较高的合束率和同轴性。
技术背景
随着激光器技术和光纤技术的发展，目前国际上激光输出的主要方式是直接由空间输出和通过耦合由光纤来输出。光纤具有结构紧凑，输出激光质量好的特点，而且光纤本身又具有很好的灵活性，可以在不同位置、任意角度的进行激光输出。但是固有的问题是单根光纤输出的激光由于热损伤、和非线性效应、光纤端面损伤等物理机制的因素导致光纤的输出功率不可能无限提高。为了解决这个问题，引入了多光纤合束的方式，而传统的多光纤合束在满足高功率工作的情况下，光束质量降低的很快，只能满足近距离的工作要求，无法长时间在保证高质量的状态下进行远距离工作。目前主要的光纤合束方法是利用光纤相干组束技术，包括主振荡放大、光谱组束(SBC)、和熔锥型光纤合束器。但是主振荡放大需要复杂的位相探测和调节系统，操作难度大成本高。光谱组束(SBC)对激光光谱的宽度和位置要求高，只有与这种光栅的布拉格条件相一致的激光束能够被折射。而熔锥型光纤合束器在高功率情况下，合束器本身的损耗和散热问题一直以来都难以有效的解决。
空间输出激光的方式在保证激光高功率、高质量、持续远距离工作这些方面的性能均优于光纤输出，且激光器的种类繁多，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器等，其在各自的工作领域都有独特的优势。但是这些激光器空间输出激光所共有的问题就是其输出空间模式固定，输出位置角度不够灵活，会受到激光器体积的限制。
本发明设计了一种激光合束装置，创新性的将两种激光输出方式的优势结合在一起，同时又一定程度弥补了各自输出方式存在的固有缺陷，产生一个互补作用。本发明在降低激光合束操作难度的同时，又提高合束的精度，可以对空间和光纤两种不同方式输出的激光进行合束输出。本发明根据需求不仅适用于各种类型的激光器还可以分光路搭配镜片，适用于425nm-1800nm激光波段的合束，且合束效率高同轴性好，散热效果极佳。合束装置可以在高功率的状态下，长时间保证高质量激光的远距离输出。
发明内容
本发明是一种激光合束装置，将光纤输出的激光和激光器直接空间输出的激光合束在一起。因为本发明主要是针对两种波长相差较大的激光，利用分束镜合束的方法。
为了实现本发明的目的，采用以下技术方案以实现：利用激光空间输出的稳定性，在合束装置的一侧设激光空间输入口，激光从输入口保持水平输入。利用光纤的灵活性在装置上下不同的位置分别设有两个光纤输入口。光纤输入接口的选择根据合束路径来决定，每种工作路径下只有一个光纤接口工作。
在装置的底部设有两个镜架基座，两个基座上分别固定着对激光空间输入水平方向呈45°和135°的两个镜架，镜架为缺少一面的矩形框架。镜架内有滑轨，缺失面朝外从装置壳体留有的缺口伸出。壳体的缺口起到通风和散热的作用，可以外加风扇朝向缺口辅助降温。镜架的作用是二向色镜的固定和拆卸。本发明使用矩形状的镜片固定在一个特制的镜框之中，镜框的一边为圆形拉环状，镜框的其余三边是与镜架滑轨配合的轨道。装有镜片的镜框可以沿滑轨插入镜架之中，完成45°或135°位置的固定。镜片选择用到多个起始波长不同的长波通二向色镜和截止波长不同的短波通二向色镜。长波通二向色镜的透射波段和反射波段通过起始波长区分，这种二向色镜在短于起始波长的波段具有高反射性能，在长于起始波长的波段具有高透射性能。短波通二向色镜的透射波段和反射波段通过截止波长区分，这种二向色镜在短于截止波长的波段具有高透射性能，在长于截止波长的波段具有高反射性能。
根据空间输入的激光以透射还是反射的方式进行合束，分A、B两种合束路径工作。每种合束路径根据两种不同方式输入激光的波长，灵活搭配镜片。将装有镜片的镜框沿滑轨插入或抽出，替换为最佳起始波长的长波通二向色镜或最佳截止波长的短波通二向色镜，使得激光在通过二向色镜的时候反射性和透射性达到最高。
在第二个基座的正上方固定着一个与镜架平行的反射镜，在B路径工作下起到改变光路方向的作用。反射镜的右侧的面有两个激光合束发射口，分别对应着在A、B两种工作路径下激光合束发射口的位置。下方是A光路的合束发射口，上方是B光路的合束发射口。两个发射口均是以最高的合束效率来输出。
本发明的有益效果
一方面可以充分利用两种不同激光输出方式的稳定性和灵活性，增加了合束输出方式的可操作范围。另一方面，由于二向色镜包括长波通和短波通两种类型，每种镜片对应的起始波长和截止波长的范围是425nm-1800nm。通过输入的波长选择合适的二向色镜，镜片的位置可以配合输入的波长做灵活的调整，选择合适的工作路径，使激光通过镜片的反射率和透射率最高。这样可以扩大激光合束的波段范围，同时能通过波长、镜片、光路之间相互的进行精准搭配，可以保证每组输入波长都能以最高的合束率输出。本发明创新性强，操作简单、成本低，稳定性好。合束装置散热效果极佳，合束效率高同轴性好，可以在高功率的状态下，长时间保持高质量的激光从事远距离工作。
附图说明
图1为本发明激光合束装置的整体示意图；
图2为本发明激光合束装置的底座结构示意图；
图3为本发明激光合束装置的镜片插口示意图；
图4为本发明激光合束装置的镜片装载模块示意图；
图5为本发明激光合束装置的反射镜装载模块示意图；
图6为本发明激光合束装置的支架结构示意图；
图7为本发明激光合束装置的A、B合束路径示意图；
图8为本发明激光合束装置长波通二向色镜和短波通二向色镜的工作范围示意图；
【附图标记说明】
1 激光空间输入口
2 顶部光纤输入口
3 底部光纤输入口
4 A路径合束激光输出口
5 B路径合束激光输出口
6 二向色镜结构
61 镜片插入口
62 镜架
63 二向色镜片
64 镜框
7 镜架基座
8 反光镜
9 固定支架
10 托架
11 外壳
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体的实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
如图1-6中所示，一种激光合束装置，主要有两种工作路径。激光空间输出的位置1一直保持水平不变，选择搭配两个光纤输入口2和3，使不同波长的激光都能以最高的透射率和反射率通过二向色镜63。镜片的装载结构如图4所示，可见矩形带有滑轨的镜架62固定在镜架基座7上。如图2所示装置的底部有两个镜架基座7。装载镜片63的镜框64可以通过外壳11留有的缺口61沿镜架62插入，镜片插入口的位置61如图3所示。镜框64沿激光空间水平输入方向左边第一个镜架62插入固定为45°，向第二个镜架62插入固定为135°。这样的结构设计可以根据输入激光的波长来选择替换透射率和反射率最高的镜片，完成两种光路下的合束输出。在装置的底部有两个固定支架10，如图6所示。
如图7所示，第一种合束光路的路径A是：空间输出激光从1位置入射、透射经过45°的二向色镜63，光纤输入激光从2位置入射，经过45°二向色镜63反射，然后与1位置入射的激光合束同轴，从输出口4输出。在A合束光路工作的时候，135°固定的二向色镜63是不安装的，只有一个空的滑轨架62。同时如果为了更有效的物理降温，可以在固定135°二向色镜63的插口61，用风扇吹向镜片插口61，气流可以通过两个镜片插入口61沿工作镜片63表面在装置内部循环，可以有效降低镜片的工作温度。
第二种合束光路B的路径是：空间输出激光从1位置入射，经135°固定的二向色镜反射63，再经反射镜8反射。光纤输入激光从3位置输入，经二向色镜63透射，再经反射镜8反射，同样由反射镜8反射的空间输入激光合束同轴从输出口5输出，反射镜8及其固定支架9如图5所示。B工作路径下45°固定的二向色镜62也是不安装的。同样利用风扇，按A合束光路的方式进行物理降温。
本发明主要使用长波通二向色镜和短波通二向色镜两种镜片。两种镜片的适用波长范围如图8所示。镜片的特点是长波通二向色镜的透射波段和反射波段是靠起始波长来进行分开，在短于起始波长是高反射性，在高于起始波长是高透射性。而短波通二向色镜的性能刚好相反，高于起始波长是高反射性，在低于起始波长是高透射性。
所以本发明的合束装置需要根据输入波长、二向色镜的类型、工作路径灵活搭配，来保证通过装置的激光合束率最高。
A合束光路的适用情况，选择不同的二向色镜63，决定输入激光的波长范围如图8：
如果是长波通二向色镜63，则激光空间输入口1波长>该镜63的起始波长。光纤输入口2处输入的波长<该镜63的起始波长。
如果镜片是短波通二向色镜，激光空间输入口1波长<该镜63的截止波长,光纤输入口2输入的波长>该镜63的截止波长。
B合束光路的适用情况:
如果是长波通二向色镜63，激光空间输入口1波长<该镜63的起始波长，光纤输入口3输入的波长>该镜63的起始波长。
如果是短波通二向色镜63，激光空间输入口1波长>该镜63的截止波长,光纤3处输入的波长<该镜63的截止波长。
本发明的最大创新就是，结合了光纤输入的灵活性和空间输入的稳定性，并且根据需要可以选择合适的激光器。利用合束装置二向色镜片63的可拆装性，通过二向色镜片63的起始波长、截止波长与输入的激光波长的关系如图8所示，来确定二向色镜的种类和合束装置工作的光路路径入如图7所示。通过具体需求灵活搭配镜片63来保证两束激光以最高的透射率和反射率来完成合束。这样极大的提高了激光合束率。由于二向色镜的起始波长和截止波长范围是425nm-1800nm,通过A、B不同光路下四种灵活的组合方式，在这个波段内，任何方式输出的激光都能以高合束率，高同轴性完成工作。本发明合束装置的创新性的结构设计，外壳11同一侧的两个二向色镜片插入口61，除了装卸搭配镜片外，利用每一光路路径下只有一个镜片工作的特性，另一插入口的位置可以利用外部风扇对着插入口直吹。气流可以沿工作镜片63的表面从插口缝隙流出，在装置内部形成气流循环，可以有效降低工作镜片的温度。本发明设计合理，所有的结构特征都高效利用，创新性强、操作简单、成本低、稳定性好、散热效果极佳。合束装置可以在高功率的状态下，长时间保持高质量合束激光从事远距离工作。
本发明未详述之处，均为本技术领域人员公知技术。
Claims (2)
1.一种激光合束装置，其特征在于：在整个装置的一侧有一个激光空间输入口，顶部有一个光纤输入口，底部有一个光纤输入口，分别位于装置上下不同的位置；装置内的底部固定有两个镜架，镜架内有滑轨，形状为缺少一面的矩形框架，缺失面从装置的外壳留有的缺口伸出；矩形状的镜片固定在一个特制的镜框之中，镜框的一边是圆形拉环，镜框的其余三边是与镜架滑轨相配合的轨道，装有镜片的镜框可沿滑轨插入镜架之中；第一个镜架与激光空间水平入射方向呈45°，第二个镜架呈135°，镜架内有滑轨凹槽，与装载镜片的镜框存在机械配合，装镜片的镜框可沿滑轨滑动，在第二个镜架的正上方固定一个与镜架平行的反射镜，反射镜的右侧有两个激光合束发射口，分别对应着在A、B两种工作路径下激光合束发射的位置，下方是A光路的合束发射口，上方是B光路的合束发射口，矩形状的镜片为二向色镜，二向色镜的起始波长和截止波长范围是425nm-1800nm；根据激光空间输入的激光以透射还是反射的方式进行合束，分A、B两种合束路径工作，每种合束路径根据两种不同方式输入激光的波长，灵活搭配镜片；将装有镜片的镜框沿滑轨插入或抽出，替换为最佳起始波长的长波通二向色镜或最佳截止波长的短波通二向色镜，使得激光在通过二向色镜的时候反射性和透射性达到最高；
A合束光路的适用情况：如果镜片是长波通二向色镜，则激光空间输入口波长>该镜的起始波长，顶部光纤输入口输入的波长<该镜的起始波长，如果镜片是短波通二向色镜，激光空间输入口波长<该镜的截止波长，顶部光纤输入口输入的波长>该镜的截止波长；
B合束光路的适用情况：如果镜片是长波通二向色镜，激光空间输入口输入的波长<该镜的起始波长，底部光纤输入口输入的波长>该镜的起始波长，如果是短波通二向色镜，激光空间输入口波长>该镜的截止波长，底部光纤输入口的波长<该镜的截止波长。
2.根据权利要求1所述的一种激光合束装置，其特征在于在装置的底部有两个支架，分布在装置的两端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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